Bambang Herutomo. dkkISSN 0216-3128166

KAJIAN PENGGUNAAN TARGET TIPE PELAT LURUS UNTUK.PRODUKSI MOL YBDENUM-99

Bambang Herutomo, Asmedi SuriptoPusbang Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang, Kawasan PUSPIPTEK. Serpong 15314

ABSTRAK

KAJIAN PENGGUNAAN TARGET TIPE PELAT LURUS UNTUK PRODUKSIMOL YBDENUM-99. Target uranium perkayaan rendah untuk produksi 99Mo yangdikembangkan saat ini adalah berbfJntuk foil tipis logam uranium (teba/ sekitar 125 mikron) yang:dijepit di antara dua tabung. Untuk mereduksi kesu/itan dB/am preparasi, penggunaan foillogamuranium yang /ebih teba/ dari 125 mikron me/a/ui perombakan desain dari tipe tabung ke tipepe/at tuTUS sedang dipelajari. Desain target tipe pe/at /UTUS yang diusu/kan ada/ah beTUpa foillogam uranium perkayaan rendah yang diapit o/eh pe/at ke/ongsong aluminium. Untukkeperluan iradiasi, pe/at target kemudian dirakit di dB/am e/emen target bentuk kalak. Hasiloptimasi dimensi target (pe/at target dan e/emen target) memperlihatkan bahwa desain targetyang diusulkan dapat menggunakan foil /ogam uranium /ebih tebal dari 125 mikron tetapipenambahan tebal foil dibatasi o/eh fluks panas maksimum yang diijinkan, yaitu sekitar 350

W/cm2.

ABSTRACT

STUDY THE USE OF STRAIGHT PLATE TYPE TARGET FOR MOLYBDENUM-99PRODUCTION. Target of low enriched uranium for 99Mo production being developed at thistime is in the form of thin uranium metal foil (125 microns -thick) that sandwiched between twotubes. To reduce difficulty in foil preparation, use of uranium metal foil thicker than 125 micronsvia design modification of target from tube type to straight plate type is being studied. Theproposed design of straight plate type target is in the form of uranium metal foil that sandwichedbetween two straight plate aluminum cladding. For the irradiation purpose, the plate target is

assembled in a box shape target element. The results of target dimension optimization (targetplate and target element) show that the proposed target design is able to use uranium metal foilwith thickness greater than 125 microns, but the increase in thickness is limited by the allowable

maximum heat flux, i.e. about 350 w/cm2.

PENDAHULUAN99Mojuga perlu dikonversi ke target LEU. Konversitarget dari HEU ke LEU menyebabkan jumlah

S ebagian besar pasokan. dunia saat !ni akan 99mTc ura~ium. yang dipe~lukan di ~al~m ta~get LEl! naik

untuk keperluan medls adalah dlproduksi dari sekltar lima sampal enam kall dlbandmgkan jumlahpeluruhan 99Mo basil reaksi fisi 235U di dalam target uranium di dalam target HEU untuk memproduksiuranium perkayaan tinggi dengan kandungan 235U di 99Mo dengan yield yang sarna. Selain itu, jumlahatas 90% (HEU -High Enriched Uranium). Untuk 239pU yang terbentuk akibat reaksi tangkapan netronmencegah penyelewengan penggunaan uranium oleh inti 238U di dalam target LEU juga lebih tinggiperkayaan tinggi sebagai senjata nuklir, .telah sekitar 30 kali dibandingkan jumlah 239pU yangdicanangkan program RERTR (Reduced Enrichment terbentuk di dalam target HEU. Berdasarkanfor Research and Test Reactor) yang disponsori kenyataan tersebut, produksi 99Mo dari target LEUoleh Departemen Energi -Amerika Serikat. Tujuan memerlukan modifikasi terutama pada prosesutama program ini adalah mengganti bahan bakar pemisahan produk dan desain dari target yang telahHEU yang selama ini digunakan dj reaktor digunakan selama inj.ll}penelitian dan uji bahan dengan bahan bakar Produksi 99Mo yang dilakukan BA TANuranium perkayaan rendah yang memiliki selama ini adalah menggunakan target HEU berupa

kandungan 23SU kurang dari 200/(' (LEU -Low lapisan tipis UO2 yang dideposisikan padaEnriched Uranium). Sejalan dengan perkembangan permukaan dalam tabung stainless steel. Usahaprogram RERTR maka target HEU untuk produksi untuk mengkonversi target HEU tersebut ke target.-~~.., -

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juii 2000

LEU telah dilakukan melalui kenjasama denganANL (Argonne National Laboratory), AmerikaSerikat. Untul< menghidari modifikasi yang terlalubesar, baik pad a proses pemisahan produk maupundesain target, telah dikembangkan target LEUberupa foillogam uranium yang diselipkan di antaradua tabung (sandwich lJ'pe). Agar kontak termalan tara foil logam uranium dengan tabung tetapterjaga selama iradiasi, tabung dalam clan tabungluar dibuat dari bahan yang memiliki ekspansitermal berbeda (tabung luar terbuat dari zirkaloi clantabung dalam terbuat dari aluminium seperti terlihatpada Gambar 1). Desain tabung target LEU tersebutmemiliki diameter luar yang sarna dengan tabungtarget HEU akan tetapi tabung target LEU lebihpanjang. Mekanisme pendinginan ke dua tipetabung target terse but juga sarna, yaitu melaluipermukaan luar tabung. Berdasarkan hasil ujiiradiasi clan pasca iradiasi maupun proses pemisahanproduk dapat disimpulkan bahwa desain target LEUyang dikembangkan secara teknis dapat digunakanuntuk produksi 99Mo}2)

~

tipe pelat akan ditransfer ke air pendingin melaluidua sisi permukaan sehingga untuk iradiasi padafluks netron termal yang sarna, foil logarn uraniumdi dalam target tipe pelat dapat dibuat dua kali lebihtebal dibandingkan foil logam uranium di dalamtarget tipe tabung. Konsep disain target tipe pelatlurus dengan foillogam uranium lebih tebal dari 125mikron dibahas di dalam makalah ini.

METODA

Target tipe pelat lurus yang diusulkansebagai altematif desain target tipe tabung di atasdirencanakan berupa foillogam uranium yang diapitoleh dua pelat aluminium sebagai kelongsong clandifabrikasi dengan teknik rol panas (sandwich type).Untuk mencegah reaksi (inter-difusi) sebagai akibatproses fabrikasi clan iradiasi netron maka di antarafoil logam uranium dengan kelongsong aluminiumakan diberi barier berupa lapisan tipis dari t~mbaga(Cu) atau seng (Zn). llustrasi tampang lintang pelattarget dapat dilihat pada Gambar 2.

~(L)PRES~~_+ VotLOED

~T"'"'mZIRCAllOY ~

£NO PLUGr,"o""""-,,-o""ri

TT1r

, (P)

1~ UF.-I

n

1

I6"

ALUMINUI.4INNER TUBETAPERED-0.005'/1.0"

I--~~~A1

URANIU~FOil.

ZIRCAlOY --tSOUTER TUBE t{&TAPERED /

ZIRCALlDY./£ND PLUG

L.pJaabItMJCu

Fdal T lid Tlmpaag IJDtaagI F."ITa~

Gal1lbar 2./Iustrasi target tipe pelot don

penampang lintangnya

Untuk keperluan iradiasi di dalam terasreaktor, pelat target kemudian dirakit di dalamelemen target berbentuk kotak (box shape) denganteknik perakitan yang sarna seperti teknik perakitanpelat bahan bakar di dalarn elemen bakar yangdigunakan RGS-GAS. Agar dapat diiradiasi didalarn target stringer yang terpasang di teras RSG-GAS sa at ini, dirnensi elernen target harus didesainsedernikian hingga dapat dirnasukkan ke dalamtarget stringer atau ditarik ke luar dari target.rfringer secara mudah tanpa perlu mernadamkanoperasi reaktor terlebih dahulu. llustrasi tam panglintang desain elemen target berisi pelat targettunggal di dalam target stringer dapat dilihat pad aGarnbar 3.

~- -L@1

Galt/bar 1. Desain target LEU tipe tabung (DTE -Differential thennal expansion target)

Problema pokok yang dihadapi dalampcmbuatan target LEU di at as adalah kcsulitandalam preparasi foil logam uranium karena tebalyang digunakan sangat tip is, yaitu sekitar 125mikron. Untuk mcngatasi kesulitan tcrsebut, perludipertimbangkan penggunaan foil logam uraniumyang lebih tebal melalui perombakan desain targetdari tipe tabung ke tipe pelat lurus. Hal inimengingat panas yang dibangkitkan di dalam target

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PeneJitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

168 ISSN 0216-3128 Bambang Herulomo. dkk

Ts.mw = ~n + qA+.9..AehGCp h

h -k -0 023 R 0.8p 0.3, e r (3)

lOODe

Gambar 3. I/ustrasi tampang /intang desain e/ementarget di do/am target stringer

Ketebalan foil logam uranium yang akandigunakan di dalam target tipe pelat di atas dapatditentukan dengan persamaan berikut :

HASIL DAN PEMBAHASANtrail = ~~Q

Q = 3,2. 10-11(1)

0'235 N235 <I>f .f .

troll adalah tebal foil logam uranium (cm), qmakladalah fluks panas maksimum yang diijinkan(w/cm1, Q adalah densitas panas yang dibangkitkandi dalam foil logam uranium (w/cm3), crfS adalahtampang lintang reaksi fisi 235U (cm1, NfS adalahdensitas atom 235U (atorn/cm3) dan <1> adalah fluksnetron termal (n/ cm2.s).

Berdasarkan batas (margin) keselamatanyang diberikan, fluks panas maksimum yangdiijinkan (qmakl) pada persamaan (1) di atas dapatditentukan dari fluks panas yang menyebabkanpelesatan pendidihan inti (DNB -Departure FromNucleate Boiling). Untuk desain geometri saluranpendingin di dalam elemen target yang diusulkan,fluks panas yang menyebabkan DNB daratditentukan berdasarkan korelasi M/RSHAK sbb.:(3

qONB = 151(1 + 0,1198 U)(1 + 0,009146Tsub)(1 + 0,19 P)

6Tsub = Tsal -Tin -6Tc (2)

Target stringer yang terpasang di teras saatini adalah berupa balok aluminium setinggi terasdengan tiga buah lubang iradiasi yang identikberdiameter 33 rom. Berdasarkan dimensi targetstringer terse but maka tebal dan lebar mal<simumelemen target dapat ditentukan, yaitu masing-masing sekitar 23,33 mm (~ R..J2). Agar elementarget dapat dimasukkan ke dalam target stringerdan ditarik keluar dari target stringer secara mudahmaka tebal dan lebar elemen target didesain masing-masing sekitar 22 mm (dimensi luar). Sedangkanpanjang elemen target dapat dibuat sesuai kebutuhan(maksimum sarna dengan tinggi teras). Untukkeperluan studi ini, panjang elemen target didesainsekitar 250 rom. Apabila pelat sisi (lihat gambar 2)diasumsikan masing-masing setebal 3 mm makalebar saluran pendingin adalah 16 rom. Agarkeberlakuan korelasi MIRSHAK pada persamaan (2)dipenuhi, yaitu diameter ekivalen saluran pendinginantara 0,53 -1,17 cm, maka tebal minimum saluranpendingin di dalam target adalah 3,5 rom.

Berdasarkan dimensi elemen target di atasmaka dimensi pelat target dapat ditentukan, yaitulebar sekitar 19 mm dan panjang sekitar 250 rom.Untuk keperluan studi ini, lebar aktif dan panjangaktif dari pelat target masing-masing ditetapkansebesar 13 mm dan 200 rom. Dalam hal ini,ketebalan foil logam uranium yang digunakan akanditentukan berdasarkan besamya tluks panas yangdiijinkan dan tluks netron termal pada saat iradiasi.Sedangkan ketebalan kelongsong dan lapisan barier(Zn atau Cu) akan ditentukan kemudian (tidakdibahas di dalam makalah ini) berdasarkankemampuan kelongsong untuk menahan tegangan

Selain fluks panas DNB, infonnasi kinerjatennohidrolik yang perlu dipertimbangkan untukmenilai kemampuan pendinginan dari desain elementarget yang diusulkan adalah temperatur maksimumpennukaan pelat target. Apabila diasumsikan flukspanas merata di seluruh pennukaan pelat targetmaka temperatur maksimum permukaan selat targetdapat ditentukan dengan persamaan sbb.: 3)

Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

yang timbul akibat swelling yang terjadi pada foillogam uranium dan kemampuan lapisan pelindunguntuk menyerap pentalan basil fisi (recoil).

Hasil perhitungan menunjukkan bahwafluks panas DNB naik cukup signifikan apabilatebal saluran pendingin bertambah besar. Akantetapi, untuk tebal saluran pendingin di atas 5,5 rom,fluks panas DNB tidak mengalami kenaikan yangberarti dengan penambahan tebal saluran pendingin.Berdasarkan basil perhitungan tersebut dapatdisimpulkan bahwa tebal saluran pendingin yangpaling optimal adalah sekitar 5,5 mm. Apabiladiasumsikan kondisi air pendingin yang masukelemen target adalah sarna dengan kondisi airpending in yang masuk teras reaktor (temperatur =40,5 °c, kecepatan = 4 m/s dan tekanan = 2 bar)

maka fluks panas DNB dari desain saluranpendingin (lebar = 16 mm clan tebal = 5,5 mm)

elemen target adalah sekitar 500 w/cm2.

~.

eoo

...

.-*

, 200,

~ tOO0-

::~==~~=:=~:==

.,.,.

(persamaan (1». Sebagai contoh, untuk iradiasi padafluks netron termal sebesar 2 x 1014 n/cm2-s makatebal foil logam uranium yang diperlukan adalahsekitar 200 mikron. Hasil perhitungan tebal foilyang diperlukan sebagai fungsi fluks netron termalsecara lengkap dapat dilihat Gambar 4. Sedangkanhubungan antara fluks panas dengan fluks netrontermal untuk berbagai ketebalan foillogam uraniumdapat dilihat pada Gambar 5.

Apabila diasumsikan fluks panasmaksimum yang diijinkan di atas (350 w/cm1adalah merata di seluruh permukaan aktif pelattarget (lebar = 13 mm dan panjang = 200 rom) maka

temperatur maksimum permukaan pelat targetadalah sekitar 236 °C dan temperatur ini lebihrendah sekitar 18 °C dari temperatur maksimumpermukaan target tipe tabung (sekitar 254 DC).Dalam hal ini, perhitungan temperatur permukaantarget tipe tabung dilakukan untuk iradiasi pada

fluks netron termal sebesar 2 x 1014 n/cm2-s.Berdasarkan perbandingan temperaturmaksimum permukaan target tersebut dapatdisimpulkan bahwa penetapan fluks panasmaksimum yang diijinkan untuk disain targetyang diusulkan, yaitu 350 w/cm2, dapatditerima, .

Berdasarkan hasil optimasi dimensidi atas maka desain dimensi target yangdiusulkan dapm diringkaskan sbb. :

04 01 0.1 1 1.2 14 l' 1.1 2 2.2 2.4 Dimensi clemen target adalah 250 mmFluka N~ TtnnaI, 010" n/em' 8 (panjang), 22 mm (lebar) dan 22 mm (tebal

., maksimum),Gal11har 4. Hubul1gan anlara lebal fotllogam uranium yang Dimensi saluran pendingin di dalam elemendiperluka/l denganjluks /lelron lermal. target adalah 250 mm (panjang), 16 mm

100, (Iebar) clan 5,5 mm (tebal).700. =:=== Dimensi pelat target adalah 250 mm

-:::::;;::: (panjang), 19 mm (Iebar)., Tebal pelat t~rget~§ tergantung pada tebal foil logam uranIum,1. ~. tebal kelongsong clan teballapisan barier,I 400 ' Dimensi foil logam uranium adalah 200 mm

~ 300. (panjang), 13 mm (lebar), Tebal foil logaml uranium tergantung pada fluks netron termal

2C»

pada saat iradiasi.100

.._;:;;;;,..:~;:

i---

KESIMPULAN DAN SARAN0.. 00 08 , ,~ t~ ,.8 IJ ~ ~.z z.t

Auks N-. T.m.al. X 10"mm'.

Gambar 5. Hubun,{,'an all/ara jluk.\" panas dengan jluksne/rO/l /er1ll(1/ 11111 Ilk herhagai ke/eha/an fiJi! Ga~baran umum konsep dcsain/o,l,7a1ll /lraniI11ll. target uranIum pcrknyaan rendah tire pelat

Apabila dilclapkan batas (1IIurgill) ., lurus untuk produksi 99Mo tclah dijclaskan.keselamatan terhadap fluks panas DNB adalah ruJuan untuk m.endapatkan desain target yangsekitar 40% dari fluks panas operasi maka fluks ~engg~nakan f?11 logam uranium lebih tebalpanas maksimum yang diijinkan unluk ditrllnsfer ke dlbandmgkan foIl logam uranium di da!am targetpen.dingin dari d~sain elemen target di at as adalah tire ~abung (I ~5 m.ikron) tclah tercapai. I?ari segisekltar 350 w/cm .Berdasarknn bat as an fluks panas kmerJa termohtdro!tk (steady state), desam targetini maka tebal foil logam uranium yang diperlukan yang diusulkan (tipe pelat) memiliki batassebagai fungsi fluks netron termal dapat ditentukan keselamatan terhadap fluks panas DNB yang cukup,

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

ISSN 0216-3128 Bambang Herutomo. dkk170

yaitu sekitar 40 % dari fluks panas maksimum yangdiijinkan dalam iradiasi (350 w/cm1. Berdasarkanfluks panas maksimum yang diijinkan tersebut, tebalfoillogam uranium yang diperlukan dapat bervariasitergantung pacta fluks netron termal pad a saatiradiasi.

Dalam usaha memberikan jaminankeselamatan iradiasi dari desain target yangdiusulkan, evaluasi yang lebih mendalam perludilakukan terutama terhadap kinerja termohidrolikclan termomekanik, baik untuk operasi normalmaupun off normal. Selain itu, teknik fabrikasi jugaperlu dikembangkan agar foil logam uranium dapatdiambil secara mudah dari dalam pelat target setelahdiiradiasi.

DAFTAR PUSTAKA

1. VANDERGRIFT, G.F., et.al., "ConvertingTargets and Processes for Fission-Product 99Mofrom High to Low Enriched Uranium", Chapterfor 1AEA TECHDOC, August 1997.

2. HOFMAN, G.L., et.al., "Irradiation Test of99Mo Isotope Production Targets Employin~Uranium Metal Foils", Proceeding of The 19RERTR Meeting, Oct. 7 -1O, 1996, Seoul,Korea.

3. KHAN, L.A. and NABBI, R., "Heat TransferAnalysis of the Existing HEU and ProposedLEU Cores of Pakistan Research Reactor", KFAJulich GmbH-2118, February, 1987.

TANYA JAWAB

Tunjung). Dungeon ketebalan optimal artinya >125 mikron

dari foil uranium dengan flux tertentuibagaimana efek iradiasi yang diterima sistemtarget termasuk interaksi prod uk fisi dankelongsong uranium karena produk fisi yangdihasilkan bertambah ?

Bambang Herutomo.Qo Interaksi mekanik antara foil V-Iogam

dengan kelongsong akan meningkat apabilatebal foil V-Iogam semakin besar. Akantetapi efek interab'i terhadap integritaskelongsong dapat dikltrangi denganmempertebal kelongsong (tebal pelat), Selainitu orientasi kristal (tekstur) foit V-logan:pertu diatur sedemikian rupa sehingga

"swelling" hanya terjadi ke arahcransversal" tidak terjadi ke arahlongitudinal".

Fathurrachman~ Dapatkah stinger yang telah diiradiasi digunakan

lagi ditinjau dari sisi keselamatan radiasi ?Apakah pada saat pemasangan target baru tidakmembahayakan pekerja ?

~ Pelapisan target disinggung menggunakan Cudan Zn, apakah Ni dapat pula digunakan ?Mudahkah target dilepas dengan kelonsong ?

~ Judul tulisan mohon dipertajam ke arahtekn 0 logi reaktor/therm ok in et ik/th erm om ekan iksepintas lalu modeling ini mengarah ke fabrikasifoil target.

Bambang Herutomo~ Oleh karena cringer" (elemen target) akan

dl'gunakan berulang-ulang '. makapemasangan petal target baru ke dalamelemen target harus dilaksanakan secara"remote" di dalam "hot cell" baik "hotcell" di RMI ataupun di RSG-GAS.

~ Ni dapat juga digunakan sebagai lapisanpelindung agar tidak terjadi reaksi inter-difusi antar logam U dengan kelongsong AI.Dungeon menggunakan lapisan pelindungtersebut, foil logam U dapat dipisahkandengan mudah dari kelongsoong.

~ Terima kasih alas sarannya. Memang tulisanini hanya ditujukan untuk mendapatkansuatu desain target yang dapat menggunakanfoil U-logam lebih besar dari 125 um (tebalfoil U-logam dalam target tipe tabung yangdigunakan saat ini) dan kajian inidilatarbelakangi oleh kesulitan dalampreparasi (fabrikasi) foil U-logam dengantebal J 25 um tersebut.

Damunir~ Pada data yang bapak sajikan : Mo-99 hasil

radiasi U sebagian kecil saja hasil radiasi Uterse but. Apakah Mo-99 mempunyai kemumiantinggi dan tidak terkena unsur yang lain basilradiolisis U tersebut.

Bambang Herutomo~ Produksi Mo-99 dap'lt dilakukan dengan

cara yaitu ..iradiasi Mo-98 dengan netronmenjadi Mo-99 dan hasil reaksi fisi U-235serta yield sekitar 6, J 7%.Dari kedua jalur produksi tersebut, jalurproduksi Mo-99 melalui pembelahan U-235lebih menguntungkan karena aktivitasspesiflk (Ci/gn Mo-99) yang dihasilkan jauhlebih besar, sebagai perbandingannya,aktivitas spesiflk yang dihasilkan dariproduksi Mo-99 melalui reaksi

Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

Bambang Heru/omo, dkk ISSN 0216-3128 /7/

.,..98Mo(n,y)99Mo makrimum adalah 10 CiMo-99/g Mo. Sedangkan aktivitas spesifikdari jalur produkri fisi U-235 adalah sekitar10.000 Ci Mo-99/g Mo.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN YoQyakarta, 25 -26 Juli 2000